多功能视力保护器设计大学论文
题目：多功能视力保护器设计
英文题目：Design of the Multifunctional Eyesight Protection
作者声明
本人以信誉郑重声明：所呈交的学位毕业设计（论文），是本人在指导教师指导下由本人独立撰写完成的，没有剽窃、抄袭、造假等违反道德、学术规范和其他侵权行为。文中引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，不包含他人成果及为获得东华理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本设计（论文）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本毕业设计（论文）引起的法律结果完全由本人承担。
本毕业设计（论文）成果归东华理工大学所有。
特此声明。
毕业设计（论文）作者（签字）：
签字日期：年月日
本人声明：该学位论文是本人指导学生完成的研究成果，已经审阅过论文的全部内容，并能够保证题目、关键词、摘要部分中英文内容的一致性和准确性。
学位论文指导教师签名：
年月日
东华理工大学毕业设计（论文）摘要
摘要
近年来在我国近视眼发病率越来越高，尤其是青少年的视力低下的情况越来越严重。据调查，我国青少年近视发病率高达至50%到60%。而导致青少年近视近视的主要原因就在于看书写字的姿势不正确并且过长时间的写字阅读，所以设计一台方便的视力保护仪是很重要的。
本文是运用了超声波传感器的多功能视力保护仪。以STC12C5A60S2型单片机的硬件电路设计和软件设计为核心，实现高精度，低成本的视力保护仪的硬件电路，其中硬件电路包括光强报警电路及定时报警电路等。并且通过软件设计来实现所有需要的功能，其中软件包括显示测距，距离报警，光强报警，定时报警等的程序设计。现如今各种各样的以单片机控制应用系统的设计正在引起学者们的注意。本文详细探讨了利用模电、数电、单片机这些课内专业知识来实现单片机的定时功能和程序语言实现定时的方法，以及系统主要硬件组成部分及其作用，并给出了完整的系统软件流程图和程序设计、部分子程序流程图和程序设计。
关键词：视力保护仪；超声波传感器；定时；报警；程序设计
ABSTRACT
In recent years，the increasing incidence of myopia, especially low vision of young people more and more serious. According to the survey, China's incidence of juvenile myopia up to 50% to 60%. The main causes of juvenile myopia is that not correct posture to read and write and to read and write too long, so the design of a convenient instrument eye protection is very important.
This article is the use of multi-functional eye protection instrument ultrasonic sensors. In general 8051 MCU hardware circuit design and software design as the core, high-precision, low-cost eye protection instrument hardware circuits, hardware circuit includes the timing and intensity alarm circuits alarm circuit. And to achieve all the functionality required by the software design, software which includes a display ranging from alarm, the light intensity alarm, time alarm and other programming. Now design a variety of microcontroller control applications are causing the attention of scholars. This paper discusses the use of analog digital circuit, microcontroller these curricular expertise to achieve single-chip timing functions and programming language realization timing method and system main hardware components and their effect, and gives a complete system software processes map and program design, part of the subroutine flow chart and software design.
Keywords:Eye protection from the alarm light；Ultrasonic Sensor；Timing；Alarming；program design
目录
摘要 .................................................................................................................................... I ABSTRACT ......................................................................................................................... II 绪论 .. (1)
第1章系统方案总体设计 (3)
1.1 系统总体框架设计 (3)
1.2 系统总框图 (3)
1.3 设计目的及基本要求 (4)
1. 4 系统选择的方案 (4)
第2章系统硬件电路设计 (6)
2.1 STC12C5A60S2单片机介绍及应用 (6)
2.2 控制系统电路设计 (8)
2.3 按键控制电路设计 (9)
2.4 LED灯显示电路设计 (10)
2.5 蜂鸣器报警电路设计 (11)
2.6 光强度检测电路设计 (12)
2.6.1光敏电阻及其特性介绍 (12)
2.6.2 光强度检测电路 (12)
2.7 红外线测距电路设计 (13)
2.8 系统显示模块 (14)
第3章系统软件设计 (16)
3.1 Keil C51软件平台 (16)
3.2 程序的模块划分 (17)
3.3 中断处理程序 (18)
3.4 AD转换与光线强度检测模块 (20)
3.5 红外线测距模块 (22)
3.6 定时模块 (23)
3.7 程序实现的功能 (25)
第4章系统调试与结果分析 (26)
总结与期望 (28)
致谢 (29)
参考文献 (30)
附录A 电路图 (31)
附录B 实物图 (32)
附录C 程序代码 (33)
附录D 系统元件清单 (40)
绪论
1.选题的背景与意义
大家都知道一旦近视，是花再多钱治疗也不可能完全恢复的一种病，它无时无刻不在困扰着你的生活和学习。现如今青少年近视的发病率越来越高引起了社会各个相关部门的高度重视。国家有关部门对很多职业都有明确的视力要求，可想而知，近视会给我们以后在工作中带来很多的限制，很有可能会失去一份机会。所以，在高强度的学习之中有一个便利的视力保护装置是极其重要的。
根据有关数据显示，我国的小学生实力低下率为26.96%，初中生53.43%，高中生72.8%，大学生77.95%。尤其是50%以上的学生、家长缺乏视力保健最基础的只是，不知道近视的危害性，造成41.6%的学生没有采取很好的保护、矫正措施。专家指出，除了有一小部分遗传的原因，90%的孩子都是由于平常读书、写字时坐姿不标准、时间过长、眼睛距离书本太近等习惯原因所导致的，甚至有些孩子喜欢趴在桌子上读写。这些都是老师、家长很难纠正的坏习惯。
据了解，目前治疗近视方法主要集中于激光手术，其中德国蔡司VisuMax全飞秒激光手术最为成熟，其原理为：激光切削角膜基质，微笑切口取出透镜。但是，这些治疗手段都存在着一定的风险，都会在一定程度上给人体造成一定的伤害。国家教委规定：书应该放置于正前方，身体松弛，腰背挺直，并且将书平放在桌上，眼睛与书本的距离大概为35至40厘米，胸部与桌边的距离为大约一拳，读书时应保持头部随视线自由移动。另外，有研究表明：最佳的近距离学习时间为1个小时。以此为背景我们进行了多功能视力保护器的研究与设计。用非医药的方法去防范不良习惯造成对视力的影响，比如从学习的时间、灯光的强度、眼睛与书本的距离等等。从而进一步提醒、纠正广大的学生朋友们在如此大的学习压力中也要在一定亮度下、一定距离下读写。从根本上预防视力问题。
2. 国内外研究现状及成果
根据市场的调查研究，根据原理将视力保护器可具体分为机械平衡式视力保护器（例如：1.5视力保护器），支架式视力保护器（例如：背背佳），电子平衡式视力保护器（例如：电子平衡式瞌睡报警器）和测距式视力保护器（例如：VISOMATE威士美）。国内生产的大多视力保护器都能有效的对使用者不正确的坐姿进行语音的提示，还有一些厂家生产坐姿矫正器，可以在一定程度上纠正读书，写字的坐姿。由此看来，虽然国内生产视力保护器的电子厂商有许多，但是功能特点都比较的单一，外观单一，并不能满足广大使用者的需求。进一步调查发现，国内市场上真正的多功能视力保护仪其实并没有很多，大多数产品都只是侧重某一个方面来进行视力保护，功能单一并不能从多个方面去保护视力，有些产品甚至对使用的环境和人群也存在着局限性。国外也有许多学者和企业投入到视力保护的研究与开发中，不过他们更偏向于对近视原因的研究。他们发现合理搭配饮食营养，比如多鱼肉和蔬菜，以及培养正确的学习习惯，可以降低近视的概率。WelchAllyn（美国伟伦公司）生产的视力保护仪。具有自动、无损性，能够自动检测出屈光度问题，包括近视、远视、散光等问题。此
外，激光视力矫正手术（LASIK手术）自上世纪90年代从欧美国家开始向全球多国蔓延以来，已使世界各地很多近视患者重获清晰明亮的视力。但是这种手术带来的安全性和副作用问题一直都让世界担忧，引来不断的质疑与争论。
3. 课题研究的基本内容与拟解决的主要问题
本文研究视力保护器内容分为硬件设计和软件设计，基于以STC12C5A60S2型单片机为核心的主体电路，和三个模块组成组成，然后同时实现对视力保护的报警功能。感光模块由光敏电阻和报警发声硬件电路组成，定时报警模块是由单片机控制电路和定时报警电路组成，主要是通过单片机的定时计数功能来实现的计数报警，测距模块是由包含发出与接收功能的GP2Y0A02YK0F型超声波传感器组成。
基本要求如下：
⑴对距离的检测，如果使用者眼睛与写字台距离低于35cm时，电路将发出
报警声提示使用者适当调整坐姿，注意视力的保护。
⑵对学习光线环境的检测，如果光线强度过强或过弱时，电路将发出报警声
提示使用者调整光线强度，注意视力的保护。
⑶对学习时间的检测，如果使用者学习时间达到60分钟时，电路将发出报
警声提示使用者休息眼睛，注意视力的保护。
第1章系统方案总体设计
1.1 系统总体框架设计
本多功能视力保护器需要在多方面最大化的保护视力。所以具有三项功能：感光、测距、定时，每当任意数据达到上限值时蜂鸣器就会发出报警提。此设计最基本组成电路主要包括红外线测距电路、光线强度检测电路、以及报警发声电路等核心电路。
1.2 系统总框图
本多功能视力保护器主要是以STC12C5A60S2型单片机为核心，以红外线传感器报警电路、光线报警电路、定时报警电路以及蜂鸣器报警电路为核心的电路设计。利用C语言对系统进行控制。本系统的总体框架如图1-1所示。
图1-1 系统结构框图
1.3 设计目的及基本要求
（1）主要设计要求
a.在互联网上不断查询相关信息，目的是为了了解目前对多功能视力保护仪；
b.温习和增强对51单片机概念与应用及汇编语言程序设计知识，灵活运用单片机I/O 口使用和扩展；
c.利用Keil uVision4软件进行C51程序设计，使之在做好仿真电路中进行下载调试；
d.利用Proteus软件对系统进行仿真，总结其中出现的问题，做好相关记录；
e.完成以上步骤后及时写出此次毕业设计论文、焊接电路、写出答辩时所用的PPT。（2）技术要求及功能
本系统是以51单片机为核心处理器、光敏电阻、蜂鸣器、红外线测距传感器等构成的一款多功能视力保护仪。具体功能如下：
当用户眼睛与桌面或电脑等学习工具的距离小于35CM时，系统将作出提示警告用户；
当使用时间长达60分钟时，系统会发出声音提示，提醒用户注意休息；
当用户在阅读时所处的环境光线照度很暗或者很明亮时时；系统的蜂鸣器和LED 显示灯会发出提示。
1. 4 系统选择的方案
在测距模块中，常用超声波测距，它的原理是利用超声波的发射与接收，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被测距的两端，一端发射，另一端接受的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体发射回来后接收的反射波方式，适用与测距仪。本设计主要是测距要选用得体，要准确无误，通过查阅资料感觉利用超声波测距的设计较多，但是稳定性不是很好，所以决定采用光电式测距传感器，主要应用在生产加工等精密场合，稳定性极高。所以本设计选用光电式红外测距传感器。
在感光模块中，采用光敏电阻与构成的电压比较器来构成感光模块的主要部分。通过对电压的采集，来实现智能化。
红外发射器按照一定的角度发射红外光束，当遇到物体以后，光束会反射回来，如图1-2所示。反射回来的红外光线被CCD检测器检测到以后，会获得一个偏移值L，利用三角关系，在知道了发射角度a，偏移距L，中心距X，以及滤镜的焦距f 以后，传感器到物体的距离就可以通过几何关系计算出来了。其优势在于：光斑小，
精度高，反应时间短；缺点是：不能正确的识别透明物体，从而也无法对其进行距离测量等。
图1-2三角测量原理
第2章系统硬件电路设计
本设计中的控制系统主要以单片机为核心，采用的STC12C5A60S2单片机，该款单片机是基于8051内核，冯诺依曼架构的一款八位微处理器。
2.1 STC12C5A60S2单片机介绍及应用
在众多的51系列单片机中，要算国内STC 公司的1T增强系列更具有竞争力，因他不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的具有大容量程序存储器且是FLASH 工艺的，如STC12C5A60S2单片机内部就自带高达60K FLASH ROM,这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写。而且STC系列单片机支持串口程序烧写。显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。重要的一点STC12C5A60S2目前的售价与传统51差不多，市场供应也很充足。是一款高性价比的单片机。如图2-1所示。
STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单
片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合。
各引脚功能简单介绍如下：
VCC：供电电压;
GND：接地;
P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每个管脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚写“1”时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部电位必须被拉高;
P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL 门电流。P1口管脚写入“1”后，电位被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收;
P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚电位被内部上拉电阻拉高，且作为输入。作为输入时，P2口的管脚电位被外部拉低，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉的优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号;
P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入时，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流(ILL)，也是由于上拉的缘故。P3口也可作为
AT89C51的一些特殊功能口：
P3.0 RXD(串行输入口)
P3.1 TXD(串行输出口)
P3.2 INT0(外部中断0)
P3.3 INT1(外部中断1)
P3.4 T0(记时器0外部输入)
P3.5 T1(记时器1外部输入)
P3.6 WR (外部数据存储器写选通)
P3.7 RD (外部数据存储器读选通)
同时P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号;
RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高平时间; ALE / PROG ：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE
脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令时ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效;
PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取址期间，每个机器周期PSEN两次有效。但在访问内部部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现; EA/VPP：当EA保持低电平时，访问外部ROM;注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET;当EA端保持高电平时，访问内部ROM。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源(VPP);
XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入;
XTAL2：来自反向振荡器的输出;
图2-1 STC12C5A60S2管脚分布
2.2 控制系统电路设计
如图2-2所示为多功能视力保护仪控制模块电路图。系统控制电路包括复位电路、振荡电路、单片机下载接口控制电路构成。由电容C1，电阻R3组成的复位电路，其中电容C1=10μF，R3=10KΩ。
电路中为了计时方便计算，本设计的晶振选用12MHZ无源外部晶振（实际电路中采用11.0592MHZ晶振）。配合两个起振电容C2、C3。形成晶体谐振电路为单片机提
供一个12MHZ稳定的时钟源。为了方便起振，起振电容选用33pF。
2-2控制模块电路图
2.3 按键控制电路设计
在单片机应用系统中，通常需要通过输入装置对系统进行初始设置和输入数据等操作，这些任务可由按键来完成。按键可组合成一个矩阵键盘，键盘是一种最常用的单片机应用系统输入设备，每一个按键事实上是一个开关元件，按其结构大致可分为两大类：有触点和无触点。目前，单片机应用系统中使用最多的按键键盘可分为编码键盘和非编码键盘。其中编码键盘可以由硬件逻辑自动提供与被按键对应的编码，并具有消抖、多键识别等功能。该类键盘操作方便，但是价钱偏贵，在普通单片机应用系统上较少采用。
非编码键盘只提供简单的行和列的矩阵，应用时由软件来识别键盘上的闭合键，它具有结构简单、使用方便灵活等特点，为此大多数单片机控制系统都使用此种。在应用中，非编码键盘常用的类型有独立式（线性）键盘和矩阵（行列式）键盘两种。
多功能视力保护仪按键电路采用独立式按键如下图2-3所示。按键Key1～Key3分别对应单片机P2.5～P2.7口的一根线，各键是相互独立的。操作时由系统软件来判别按键当前是否按下。当某按键按下时，该按键对应的I/O口将从高电平变为低电平。当检测到对应的I/O口为低电平时，则可判断出该口对应的按键被按下，则可启动相对应的程序控制。
图2-3 多功能视力保护仪独立式键盘功能
2.4 LED灯显示电路设计
LED（Light Emitting Diode）是发光二极管，常做指示器，其导电特性与普通二极管类似。LED灯显示电路采用八个高亮发光二级管和一个排阻组成。采用排阻目的是为了使焊接的工作量减少。排阻的公共端接上电源的正极，当控制电路通过驱动
芯片74HC595输出低电平时则可控制LED灯发光。LED灯显示电路如图2-4所示。